Význam intercepce v hydrologickém cyklu povodí pramenných oblastí

Transkript

1 110 stavební obzor 5 6/2014 Význam intercepce v hydrologickém cyklu povodí pramenných oblastí Tomáš ČERNÝ Ing. Michal DOHNAL, Ph.D. ČVUT v Praze Fakulta stavební Ing. Miroslav TESAŘ, CSc. AV ČR Ústav pro hydrodynamiku Nezanedbatelná část dešťových srážek je během jejich trvání zachycena na povrchu vegetace a budov. Tato část srážek, jejíž velikost je dána intercepční kapacitou zasaženého povrchu, je následně odpařena zpět do atmosféry. Používané prostorově distribuované hydrologické modely vyžadují znalost všech složek hydrologického cyklu včetně intercepce a hlavních parametrů, které ovlivňují její velikost a rychlost odpařování vody zpět do atmosféry. V článku je studována intercepce smrkového lesa v experimentálním povodí na Šumavě. The importance of interception in the hydrological cycle of the headwater catchments An appreciable part of precipitation is intercepted on the surface of vegetation and buildings during rainfall event. This part of rainfall, which is usually called interception capacity of the surface, is subsequently evaporated back to the atmosphere. Currently available distributed hydrological models require detailed knowledge of all components of the hydrological cycle, including interception and key parameters affecting amount of interception and rate of evaporation back to the atmosphere. In this paper the interception of the spruce forest canopy at an experimental catchment in the Sumava Mts. is studied. Úvod Proces, během něhož je významná část dešťových srážek zachycena na povrchu vegetace a budov, se v hydrologii označuje jako intercepce. Část srážek, která byla zachycena, se neúčastní odtoku a je následně odpařena zpět do atmosféry. V urbanizovaných povodích může mít vliv na tepelný režim budov, návrh stokových sítí a životnost některých stavebních konstrukcí. V přirozených povodích ovlivňuje transpiraci rostlin, formování odtoku nebo transport tepla a vodní páry v přízemních vrstvách atmosféry. Pominutí procesu intercepce nebo jeho přílišné zjednodušení může podstatným způsobem znejistit jednotlivé složky hydrologické bilance nebo předpovědi komplexních hydrologických modelů. Lepší pochopení procesu intercepce umožní spolehlivě odhadnout jeho vliv a navrhnout efektivní intercepční model pro zkoumanou lokalitu. V takovém případě je nezbytná znalost hlavních parametrů, které ovlivňují její velikost a rychlost odpařování vody zpět do atmosféry. Pro hydrologickou bilanci přirozených povodí se zpravidla uvádí DS = H P (H Q + H ET ), (1) kde S je zásoba vody v povodí, H P je srážková výška na volné ploše, H Q je odtoková výška v závěrovém profilu, H ET je velikost evapotranspirace na povodí. Z hlediska bilance na úrovni povodí je intercepční ztráta zahrnuta v evapotranspiračním členu rovnice (1). Proto se někdy intercepční ztráta označuje jako intercepční výpar. Nicméně její velikost se obvykle vyjadřuje jako část srážkové výšky (v procentech). Důvodem je skutečnost, že se intercepční ztráta nejčastěji určuje výpočtem z bilance vegetačního krytu (tj. nezávisle na určení evapotranspirace na povodí). Detaily výpočtu evapotranspirace v podmínkách malých horských povodí se zabývali autoři [1] a [2]. Členitost půdního povrchu, typ vegetačního krytu a místní klimatické podmínky určují množství srážek, které dopadá na půdní povrch. Srážková voda se v důsledku přítomnosti vegetačního krytu rozděluje na část, která: zůstává na vegetaci a vypaří se během srážkové události nebo po jejím skončení (intercepce); steče po stoncích, větvích či kmenech rostlin na zemský povrch (stok po kmeni); po kontaktu s vegetací, anebo bez kontaktu propadne na zemský povrch (podkorunová srážka). Pro vegetační kryt je tedy možné psát H P = H SF +H TF +H I, (2) kde H SF je velikost stoku po kmeni, H TF je podkorunová srážková výška, H I je intercepční ztráta. Součet stoku po kmeni a podkorunové srážky se někdy označuje jako čistá srážka (v lesnické terminologii porostní či efektivní srážka), srážka na volné ploše H P zase jako celková. Pokud jsou srážka na volné ploše, stok po kmeni a podkorunová srážka spolehlivě měřeny, je možné velikost intercepční ztráty z bilance přímo vypočítat. Tímto způsobem určují intercepční ztrátu např. [3] nebo [4]. Cílem článku je ve dvou vegetačních sezónách určit velikost intercepce porostu smrků ztepilých na experimentální ploše v šumavském povodí a tyto hodnoty porovnat s hodnotami publikovanými pro lesní společenstva podobné druhové skladby. Zároveň stanovit průměrnou hodnotu indexu listové plochy na experimentální ploše a na základě regresní analýzy srážkových událostí vybrat další parametry, které ovlivňují velikost intercepce a rychlost odpařování vody zpět do atmosféry. Experimentální plocha a přístrojové vybavení V Šumavském podhůří je dlouhodobě monitorován hydrologický a klimatický režim malého horského povodí Liz (6,5 km severozápadně od Vimperka). Experimentální po-

2 stavební obzor 5 6/ vodí Ústavu pro hydrodynamiku AV ČR je součástí povodí Volyňky a disponuje bezmála čtyřicetiletou řadou měření. Plocha povodí je 0,99 km 2, průměrná nadmořská výška 941 m n. m., průměrný roční srážkový úhrn 863 mm, průměrná odtoková výška 345 mm, průměrná roční teplota 6,6 C (za hydrologické roky ). Hydropedologická a meteorologická pozorování jsou soustředěna v blízkosti meteorologické stanice na horské louce v dolní části povodí a na experimentální ploše ve svažité zalesněné reprezentativní části povodí. V této studii jsou použita kontinuální měření srážek prováděná v letech 2012 a 2013 pomocí váhových srážkoměrů MRW500 (fy Meteoservis) se záchytnou plochou 500 cm 2 (obr. 1). Vrchní hrana srážkoměru je ve výšce 1 m nad terénem. Výrobcem deklarovaná přesnost měření je ±0,1 mm a není závislá na intenzitě srážek. Vzdušná vzdálenost mezi srážkoměry je přibližně 400 m. Lesní porost je tvořen výhradně jedinci smrku ztepilého (Picea Abies (L.) Karst.) ve stáří mezi osmdesáti a devadesáti lety. Keřové patro není přítomno, zastoupení hrabanky a nesouvislého porostu trav bylinného patra je přibližně rovnocenné. Stok po kmeni je u vybraných jedinců na výzkumné ploše zaznamenáván překlopným průtokoměrem s rozlišením 0,1 mm. 3,54 a maximální 3,75 m 2 m -2. Rozdělení asimilačních orgánů u jehličnatých stromů není náhodné [5]. Měřené hodnoty byly vynásobeny opravným koeficientem pro smrky, který navrhli Gower a Norman [6]. Opravené hodnoty indexu listové plochy jsou potom 5,66-6,00 m 2 m -2. Obdobné hodnoty indexu listové plochy smrkových monokultur byly zjištěny v pracích [7], [8]. Intercepční ztráta a stok po kmeni V obou zkoumaných vegetačních sezónách byl měřený stok po kmeni velmi malý a hodnoty se pohybovaly na úrovni chyby měření. Navíc v žádné sezóně nepřesáhl celkový měřený objem stoku po kmeni 1 % úhrnu srážek na volné ploše. Z těchto důvodů byl stok po kmeni v této studii zanedbán. Pozornost byla rovněž věnována depozici vody z větrem hnané mlhy a nízké oblačnosti na lesní porost (tzv. usazené srážce), která v dané oblasti může zjištěné hodnoty intercepční ztráty ovlivnit. Pro vyhodnocovaná období bylo možné vzhledem k malé četnosti a trvání mlh vyšší intenzity tento vliv zanedbat. Porovnáním srážkových úhrnů naměřených na volné ploše a podkorunových srážek na experimentální ploše byla stanovena celková intercepční ztráta ve vegetačních sezónách 2012 a V roce 2012 její velikost činila 48 % srážek, v roce 2013 potom 35 %. Délka sezóny v roce 2012 byla zkrácena pro zachování homogenity datové řady, za stejně dlouhé období a ve vzájemně si odpovídajících částech roku je zjištěná intercepční ztráta v letech 2012 a 2013, a to 36 %, resp. 33 %. Rozdílnost zjištěných ztrát je diskutována v souvislosti s regresní analýzou jednotlivých srážkových epizod. Obr. 1. Měření podkorunových srážek Index listové plochy Nejrozšířenější charakteristikou porostů rostlinných společenstev je index listové plochy (leaf area index, LAI). U jehličnatých stromů je definován jako celková plocha všech jehlic nad jednotkovou plochou půdy [m 2 m -2 ]. Hodnota indexu byla zjišťována nedestruktivní nepřímou metodou, která k měření využívá sluneční záření dopadající na širokoúhlý optický senzor. Na experimentální ploše v rámci povodí Liz byla během jednorázové kampaně v srpnu 2012 použita dvojice přístrojů LAI 2000 (fy LI-COR Biosciences). Provedeno bylo dvanáct měření, minimální zjištěná hodnota byla Obr. 2. Intercepční ztráta dřevin v závislosti na bazální ploše kmene [9], [10], [11] Hodnoty intercepční ztráty je možné s různou úspěšností korelovat se stářím porostu, hodnotou indexu listové plochy, zapojením jedinců do porostu na zkoumané lokalitě nebo se součtem plochy všech kmenů ve výčetní výšce vyjádřeným na jednotku plochy stanoviště (tzv. bazální plochou kmene). Zapojení smrků ztepilých, vyjádřené bazální plochou kmenů, bylo 55,7 m 2 ha -1. Velikost intercepční ztráty jehličnatých stromů v závislosti na jejich zapojení do porostu vyjádřeném prostřednictvím bazální plochy kmene je na obr. 2.

3 112 stavební obzor 5 6/2014 Regresní analýza srážkových epizod Detailní analýzou srážkových událostí ve zkoumaném období byla určována nasycená intercepční kapacita jehlic a hodnota volného propadu smrkovým porostem na lokalitě. Za období od července roku 2012 do října 2013 bylo podrobně analyzováno 39 srážkových epizod (tab. 1, tab. 2). Ve zkoumaném období se podařilo změřit širokou škálu epizod s dobou trvání v řádu hodin až dnů a srážkovými úhrny 2,4-72,7 mm. Maximální zaznamenaná okamžitá srážková intenzita byla 50 mm h 1. K určení nasycené intercepční kapacity i velikosti volného propadu byla využita regresní analýza jednotlivých srážkových epizod ve formě kumulativních srážkových intenzit z volné plochy a pod korunami stromů. Na základě této analýzy je možné volný propad ztotožnit se sklonem přímky, která vyhovuje vzájemným kumulativním srážkovým intenzitám na volné ploše a pod korunami stromů před vyčerpáním intercepční kapacity. Nasycená intercepční kapacita se zobrazí jako průsečík regresní přímky (proložené body kumulativních srážkových intenzit po vyčerpání intercepční kapacity) s osou x, tj. osou srážek na volné ploše (obr. 3). Obr. 3. Regresní analýza srážkové epizody z srpna 2012 Výrazná inflexe, umožňující oddělit fáze srážky před nasycením a po nasycení intercepční kapacity porostu proložené přímky A a B, je patrná z obr. 3. Přímka A se používá k určení volného propadu, přímka B k odhadu nasycené intercepční kapacity. Sklon přímky A (obr. 3) proložené měřeními před nasycením intercepční kapacity v případě epizody z 25. na 26. srpna, tj. velikost volného propadu, byla 11,8 %. Nasycená intercepční kapacita (průsečík regresní přímky B s osou x) činila 4,8 mm. Po nasycení intercepční kapacity se obvykle sklon proložené přímky blíží jedné (dochází téměř ke 100% propadu). V případě vybrané srážkové epizody je sklon proložené přímky ve druhé fázi epizody menší v porovnání s přímkou x = y, důvodem je pravděpodobně odpaření části zachycené vody během srážky. Tab. 1. Nasycená intercepční kapacita a volný propad porostu smrků ztepilých v roce 2012 * Identifikátor epizody Měsíc Úhrn ** Doba trvání [min] Volný propad [%] Nasycená kapacita I 6 2, ,9 II 7 7, ,5 3,0 III 7 17, ,5 IV 7 4, ,8 0,7 V 8 15, ,6 VI 8 7, ,5 VII 8 19, ,7 4,8 VIII 9 4, ,5 0,5 IX 9 4, ,7 1,4 X 9 19, ,7 4,5 XI 10 7, ,9 3,4 XII 10 13, ,1 1,8 XIII 7 5, ,5 1,6 XIV 8 36, ,4 XV 9 2, ,4 1,4 XVII 10 4, ,5 1,6 * chybějící hodnoty nebylo možné spolehlivě určit; ** srážkový úhrn měřen na volné ploše Tab. 2. Nasycená intercepční kapacita a volný propad porostu smrků ztepilých * v roce 2013 * Identifikátor epizody Měsíc Úhrn** Doba trvání [min] Volný propad [%] Nasycená kapacita I 4 5, ,9 1,6 II 5 14, ,7 III 5 15, ,4 1,7 IV 5 6, ,0 0,7 V 5 7, ,3 VII 5 8, ,4 1,8 VIII 5 9, ,2 0,5 IX 6 72, ,2 5,5 X 6 4, ,2 0,8 XI 6 9, ,8 3,0 XIII 6 5, ,6 1,2 XIV 7 8, ,7 XV 8 19, ,1 XVI 8 11, ,4 3,5 XVII 8 19, ,7 XVIII 8 9, ,4 0,8 XX 6 31, ,0 2,5 XXI 6 2, ,6 0,7 XXII 4 4, ,3 XXIII 4 22, ,4 2,7 XXIV 6 5, ,9 1,7 XXV 9 9, ,2 XXVI 9 13, ,8 5,4 * chybějící hodnoty nebylo možné spolehlivě určit; ** srážkový úhrn měřen na volné ploše

4 stavební obzor 5 6/ Průměrná hodnota nasycené intercepční kapacity smrku ztepilého v roce 2012 byla 2,1 mm. V následujícím roce potom 2 mm. Odhadované množství volného propadu (tj. množství srážek, které propadne na půdní povrch bez kontaktu se stromovým patrem) v letech 2012 a 2013 bylo 18,7 %, resp. 20,5 %. Nejvyšší vyhodnocená nasycená intercepční kapacita byla zjištěna pro srážkovou událost z 1. června na 3. června Tato srážka zároveň trvala nejdéle ze všech analyzovaných událostí, což napovídá, že zjištěná intercepční kapacita je silně ovlivněna výparem. Všechny zjištěné hodnoty volného propadu se pohybovaly mezi 7-45 %. Téměř ve třetině případů nebylo možné ve zkoumaném období velikost volného propadu zjistit. Šlo vesměs o krátké intenzivní bouřky, v rámci nichž jsou očekávány (vzhledem k vysoké kinetické energii vodních kapek a silnému větru) nejvyšší hodnoty volného propadu. Jedním z důvodů je vzájemná vzdálenost lokalit měření podkorunových srážek a srážek na volné ploše. Pro získání relevantních dat z rychle postupujících bouřkových buněk, přinášejících nejintenzivnější srážky, je vzdálenost srážkoměrů příliš velká. Závislost veličin na charakteru srážky V další části studie byla analyzována závislost celkové intercepční ztráty, nasycené intercepční kapacity a velikosti volného propadu na době trvání, intenzitě a velikosti srážky a velikosti předcházejících srážek (za dobu 72 h před začátkem události). Závislost mezi intercepční kapacitou a velikostí předcházejících srážek ani mezi celkovou intercepční ztrátou a velikostí předcházejících srážek nebyla prokázána. To znamená, že vypařování vody zachycené na jehlicích smrků bylo v letech 2012 a 2013 poměrně rychlé a u většiny analyzovaných epizod neovlivňuje zachycená voda z předchozí srážky intercepční kapacitu srážky následující. Naopak zřetelná závislost byla zjištěna mezi určenou intercepční ztrátou a srážkovým úhrnem jednotlivých epizod (obr. 4a). Koeficient determinace R 2 je roven 0,3886. To znamená, že navržený model mocninné funkce popisuje bezmála 40 % změřených epizod. Volný propad v závislosti na srážkové intenzitě jednotlivých událostí je patrný z obr. 4b. Vyšší hodnoty naměřené při intenzivnějších srážkách jsou s pravděpodobně způsobeny vyšší kinetickou energií vodních kapek. Neprůkazná závislost je důsledkem nemožnosti vyhodnotit nejintenzivnější srážky ve sledovaném období. Závěr V článku je studována intercepce smrkového lesa v rámci experimentálního povodí na Šumavě. V letech 2012 a 2013 byla ze srážkových úhrnů pod korunami stromů a na volné ploše určena celková intercepční ztráta porostu. V hodnoceném období od června do října 2012 dosahovala 36 %, zatímco v roce 2013 to bylo za porovnatelné období 33 %. Zjištěné hodnoty intercepční ztráty byly konfrontovány s publikovanými hodnotami intercepční ztráty jehličnatých stromů různého zapojení. Porovnáním bylo zjištěno, že na experimentální lokalitě je mírně vyšší než u jiných neopadavých jehličnanů shodného zapojení do porostu. Ve vegetační sezóně 2012 byla současně změřen index listové plochy smrků ztepilých, na výzkumné lokalitě na povodí Liz dosahoval 5,66-6,00 m 2 m -2. Rozborem jednotlivých srážkových událostí byla zjištěna průměrná nasycená intercepční kapacita 2,04 mm a průměrný volný propad 19,8 %. Byla studována závislost nasycené intercepční kapacity a velikosti volného propadu na době trvání, intenzitě a velikosti srážky, nebo na velikosti předcházejících srážek. Získané výsledky naznačují, že (spolu s indexem listové plochy) jsou nejdůležitějšími parametry ovlivňujícími intercepci velikost a intenzita srážky. Článek vznikl za přispění Institucionální podpory na dlouhodobý koncepční rozvoj výzkumné organizace MŠMT a projektu TA Technologické agentury ČR. Obr. 4. Závislost intercepční ztráty na velikosti srážky (a) a velikosti volného propadu na průměrné intenzitě srážkové události (b) Literatura [1] Punčochář, P. Křeček, J.: Potenciální evapotranspirace v horském povodí. Stavební obzor, 20, 2011, č. 3, s ISSN (Print) [2] Dohnal, M. Vogel, T.: Výpočet evapotranspirace s využitím znalosti radiačních poměrů horského povodí. Stavební obzor, 20, 2011, č. 3, s ISSN (Print) [3] Brutsaert, W.: Hydrology: An introduction. Cambridge, Cambridge University Press [4] Gerrits, A. M. J.: The role of interception in the hydrological cycle. [PhD Thesis], Delft, Delft University of Technology, [5] Norman, J. M. Jarvis, P. G.: Photosynthesis in Sitka spruce, V. Radiation penetration theory and a test case. Journal of Applied Ecology, 12, 1975, pp

5 114 stavební obzor 5 6/2014 [6] Gower, S. T. Norman, J. M.: Rapid estimation of leaf area index in forests using the LI-COR LAI Ecology, 72, 1990, pp [7] Homolová, L. Malenovský, Z. Hanuš, J. Tomášková, I. Dvořáková, M. Pokorný, R.: Comparison of different ground techniques to map leaf area index of Norway spruce forest canopy. ISPMSRS 2007, Davos, [8] Kantor, P. Šach, F. Černohous, V.: Development of foliage biomass of young spruce and beech stands in the mountain water balance research area. Journal of Forest Science, 55, 2009, pp [9] Crockford, R. H. Richardson, D. P.: Partitioning of rainfall into throughfall, stemflow and interception: effect of forest type, ground cover and chmate. Hydrological Processes, 14, 2000, pp [10] Barbier, S. Balandier, P. Gosselin, F.: Influence of several tree traits on rainfall partitioning in temperate and boreal forests: A review. Annals of Forest Science Journal, 66, 2009, p [11] Grelle, A. Lundberg, A. Lindroth, A. Morén, A.-S. Cienciala, E.: Evaporation components of a boreal forest: variations during the growing season. Journal of Hydrology, 197, 1997, pp